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遠中近紅外光譜的區分和應用

遠中近紅外光譜的區分主要基于波長範圍,這三個區域在電磁光譜中占據連續但不同的波長段。它們的具體區分依據如下:

近紅外光譜(NIR):波長範圍大約在750nm到2500nm(或2.5μm)之間。這個區域緊接可見光波段,用于分析分子中氫與其他原子(如碳、氮和氧)間的振動過渡。近紅外光譜技術常用于農業、食品工業、醫藥品分析等領域,因為它可以快速、無損地提供有關樣品化學組成的資訊。

中紅外光譜(MIR):波長範圍從約2500nm(2.5μm)到25000nm(25μm)或更寬。中紅外區域更适用于檢測分子的基本振動模式和它們的特定化學鍵,如O-H、C-H、N-H等。是以,中紅外光譜在化學、石油化工、環境監測和制藥研究中有廣泛的應用。

遠紅外光譜(FIR):波長範圍通常被定義為從25000nm(25μm)到1000000nm(1000μm)或更遠。遠紅外區域主要用于研究分子中較低能量的振動模式和轉動模式,以及固體材料的晶格振動。遠紅外光譜在物質的晶體結構分析、低頻振動和轉動模式研究中尤為重要。

每個區域因其波長範圍的不同,使得它們在分子振動和轉動分析中具有獨特的應用。通過分析樣品在這些不同波長下的吸收特性,可以得到有關其分子結構和化學組成的豐富資訊。

遠中近紅外光譜的區分和應用

近紅外光譜的應用

生物醫學:近紅外光譜在生物醫學領域具有廣泛的應用,如血氧飽和度監測、腦部成像等。通過測量血液群組織對近紅外光的吸收和散射,可以評估組織的血氧含量和血流動力學狀态。

農業:近紅外光譜技術也被廣泛應用于農業領域,如測量植物葉片的葉綠素含量、評估光合作用狀況以及預測作物産量等。通過測量植物對近紅外光的反射和吸收,可以了解植物的生長狀況和營養狀況。

食品分析:近紅外光譜技術在食品分析領域也具有廣泛的應用,如分析食品成分、檢測食品品質和安全性等。通過測量食品對近紅外光的吸收和散射,可以了解食品中的營養成分、添加劑以及污染物等。

工業:近紅外光譜技術在工業領域也被用于品質控制、原材料分析等方面。通過測量材料對近紅外光的吸收和散射,可以了解材料的成分、結構和性能等。

中紅外光譜的應用

化學研究:中紅外光譜可以用于分析各種化合物,如羟基、胺基、吡啶、醛基、酮基等有機官能團的振動情況,并在制藥、醫療和能源等領域中發揮重要作用。

面分析:中紅外光譜可以用于表面分析,例如檢測薄膜、溶液和塗層的化學組成及結構,以及研究催化劑表面的反應。

無機材料分析:中紅外光譜可以用于分析各種無機材料,如石墨烯、氧化物和矽酸鹽等。

環境監測:中紅外光譜技術還被用于環境監測領域,如測量大氣中的污染物濃度、監測水質等。通過測量污染物對中紅外光的吸收和散射,可以了解污染物的種類和濃度等資訊。

遠紅外光譜的應用

熱成像:遠紅外光譜在熱成像領域具有廣泛的應用,如測量地表溫度分布、監測地表的熱态變化等。通過測量地表對遠紅外光的輻射,可以了解地表的溫度分布和熱量傳遞情況。

動植物研究:遠紅外光譜技術也被用于動植物研究領域,如動物行為研究、植物健康評估等。通過測量動植物對遠紅外光的輻射和吸收,可以了解它們的體溫分布、生長狀況以及健康狀況等資訊。

紅外加熱:遠紅外光譜技術還被用于紅外加熱和幹燥處理領域。由于遠紅外光具有熱效應,是以可以通過輻射遠紅外光來加熱和幹燥物體。這種方法具有加熱均勻、效率高、節能環保等優點。

礦物學研究:遠紅外光譜可以用于分析礦物的組分和結構,以及區分不同類型的礦物。

軟物質研究:遠紅外光譜可以用于研究軟物質,如生物大分子(如蛋白質、纖維素等)和聚合物(如聚乙烯、聚丙烯等)的分子結構和動力學特性。

光源選擇

在現實中,針對遠、中、近紅外光譜分析的光源選擇确實有特定的講究,不同光源的特性使它們在不同的紅外區域表現各異。這些光源并不總是可以互換使用,主要由于它們的發光效率、波長範圍和穩定性在不同的紅外區域内有所差異。以下是一些基本的指導原則:

近紅外區域(NIR):通常使用鹵素燈、鎢燈或LED作為光源。這些光源能夠覆寫近紅外區域的波長範圍,提供足夠的光強和較寬的波長覆寫,适合于大多數近紅外光譜分析。

中紅外區域(MIR):通常采用格洛巴爾燈(一種特制的白熾燈)或量子級聯雷射(QCL)作為光源。格洛巴爾燈提供連續的中紅外光譜,适合寬波長範圍的探測;而量子級聯雷射則可用于更精确的波長選擇和高靈敏度測量。

遠紅外區域(FIR):通常使用特殊的黑體輻射源,如矽碳棒(SiC)加熱器,或者特殊的遠紅外雷射和太赫茲光源。這些光源能夠提供遠紅外區域所需的特定波長光譜。

雖然某些光源可能在不同紅外區域有一定的重疊使用,但為了獲得最佳的光譜分析性能,通常會根據被分析的紅外區域選擇最合适的光源。選擇光源時要考慮的因素包括所需的波長範圍、光源的穩定性、發射光譜的連續性以及與光譜儀器的相容性。是以,在具體應用中,通常不建議混用不同紅外區域的光源,以確定擷取高品質的光譜資料。

常見物質

我們知道了影響中遠近紅外的檢測主要是靠物質劃分的,那麼我列舉一些常見的紅外檢測的組分。各種物質和分子的特定振動和轉動模式會産生特征吸收,這使得紅外光譜成為了分析化學和物質鑒定的重要工具。下面列出的是各個紅外區域常見的物質和分子類型,以及它們的一些特征吸收。

近紅外區域(NIR,0.75-2.5μm)

近紅外區域主要探測分子振動的泛音群組合振動模式。常見的有:

水(H₂O):在近紅外區有強烈的吸收,特别是與O-H鍵振動相關的吸收。

碳氫化合物(C-H):例如烷烴、脂肪和油類物質,它們的C-H鍵在近紅外區域有特征吸收。

醇、酚和氨基酸:它們含有O-H和N-H鍵,這些鍵在近紅外區域也有吸收。

中紅外區域(MIR,2.5-25μm)

中紅外區域能夠提供更多關于分子結構的資訊,因為在這個區域,分子内部振動和轉動模式的基頻吸收較為豐富。常見的有:

CO₂(二氧化碳):有強烈的特征吸收峰,常用于環境監測。

N-H,O-H,C=O(氨基、羟基、酮和酸):這些官能團在中紅外區域有明顯的吸收峰,用于有機化合物和生物分子的分析。

指紋區:1400-600cm⁻¹的範圍被稱為指紋區,幾乎所有的有機化合物在這個區域都有獨特的吸收特征,可用于物質鑒定。以承天示優DX4000,4055為例,那麼所能測得的中紅外光譜範圍則在900-4200,這是一個比較正常的所能檢測的紅外光譜區間。

遠紅外區域(FIR,25-1000μm)

遠紅外區域主要涉及分子的低頻振動和固體材料的晶格振動。常見的有:

無機鹽和礦物:例如硫酸鹽、磷酸鹽和碳酸鹽,它們在遠紅外區域有特征晶格振動模式。

高分子和聚合物:遠紅外光譜可以揭示聚合物鍊間的互相作用和晶格結構資訊。

固體材料的晶格振動:許多固體材料,如陶瓷和半導體,它們的晶格振動在遠紅外區域有明顯的吸收。

不同紅外區域的這種差別使得紅外光譜能夠廣泛應用于化學分析、材料科學、環境監測、醫藥研究等多個領域。